Erhöhung der Energieeffizienz von Kohlenwasserstoff-Dehydrierungen durch Einsatz von Palladium-Kompositmembranen zur in situ-Wasserstoffentfernung in einem Membranreaktor

Projektziele

In diesem Projekt werden Palladium-Kompositmembranen in einem Membranreaktor zur Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen für die Abtrennung des bei der Reaktion gebildeten Wasserstoffs eingesetzt. Das Potential solcher Membranreaktoren zur Erhöhung der Energieeffizienz industrieller Dehydrierungsverfahren steht im Mittelpunkt. Durch die Abtrennung des Wasserstoffes aus dem Reaktionsgemisch kann das Gleichgewicht der Reaktion auf die Produktseite verschoben werden. Energieeinsparungen sind dabei einerseits wegen der höheren Produktausbeute im Reaktor bei gleichen äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur) möglich, weil dadurch der Energieaufwand für die Abtrennung und Rückführung des nicht umgesetzten Eduktes geringer wird. Andererseits kann ein Absenken der Reaktionstemperatur möglich werden, wodurch der Energiebedarf für die Beheizung verringert wird; eventuell resultieren daraus auch geringere Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe. Allerdings besteht eine der Herausforderungen hierbei in der unter industriellen Bedingungen vorherrschenden kinetischen und nicht ausschließlich thermodynamischen Limitierung der Produktausbeute. Die Membranen und entsprechende Module zur Untersuchung der Wasserstoffpermeation sowie der Reaktion im Membranreaktor werden vom niederländischen Energieforschungszentrum ECN bereitgestellt.

Folgende Dehydrierungen werden untersucht:

1.    Propan zu Propen

Bedingt durch den stärker steigenden Bedarf an Propen im Vergleich zu Ethen ("propylene gap") werden effiziente Verfahren zur gezielten Herstellung von Propen heute und in absehbarer Zukunft zunehmend nachgefragt. Es handelt sich hier typischerweise um Großanlagen mit Kapazitäten von mehreren 100.000 t/a Propen, für die sehr große Membranflächen benötigt werden. Da hierfür entsprechende Herstellkapazitäten aufgebaut werden müssten, ist diese Anwendung nur langfristig realisierbar.

2.    Methylcyclohexan zu Toluol

Diese Reaktion ist interessant im Kontext der Verwendung von Methylcyclohexan (MCH) als chemischer Wasserstoffpeicher, u.a. zur saisonalen Energiespeicherung oder als flüssiger Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge. Methylcyclohexan wird dabei im Fahrzeug dehydriert zu Toluol, wobei der entstehende Wasserstoff nach einer Reinigung durch Adsorption oder über eine selektive Membran die Brennstoffzelle antreibt und das gebildete Toluol in einem zweiten Tank gespeichert wird. An der Tankstelle wird das Toluol abgegeben und Methylcyclohexan nachgetankt, das durch Hydrierung des abgegebenen Toluols dort lokal erzeugt werden kann. Der hierfür benötigte Wasserstoff kann u.a. durch Dampfreformierung von Erdgas oder trockene Reformierung von Biogas ebenfalls an der Tankstelle lokal erzeugt werden. Abschätzungen zufolge sind für die on-board Anwendung zur Dehydrierung von Methylcyclohexan Membranflächen unter 10 m ² ausreichend, so dass hier eine kurz- bis mittelfristige Anwendung technisch denkbar ist.